可关断晶闸管(gto)触发驱动和保护电路的研究
全控型电力半导体器件
问题的提出¾为什么要开发全控型器件？¾半控型器件有哪些限制？在很多情况下，如何将器件关断是一个突出的问题。
¾对关断要求不高，或有其他很有效的方法关断器件时，半控型器件是合适的。
¾反之，就需要全控型器件。
¾5.1 门极可关断晶闸管（GTO）¾5.2 电力晶体管（GTR、PRT）¾5.3 电力场效应晶体管（P-MOSFET）¾5.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT）¾5.5 其他全控型电力电子器件¾5.6 模块和智能功率模块（IPM）¾5.7 电力电子技术发展概貌¾5.8 电力半导体器件和装置的保护门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor-GTO）¾晶闸管的一种派生器件。
¾可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。
¾电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，在兆瓦级以上的大功率场合有较多应用ABB 5SGA 30J2501可看成多个小的这些小的SCR结单元一个单元极是被门极包围的条状阴极的宽度越窄，通态电流越容易被关断¾阴极面积太大结论¾GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。
9SCR深度饱和(1.15)，GTO临界饱和(稍大于1)¾GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。
¾多元集成结构使得GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。
5.2 GTO的特性和参数大部分参数和SCR一样或类似，除了：¾门极关断电流I：指GTO从通态转为断GM态所需的门极反向瞬时峰值电流的最小值。
注意：¾GTO管压降要大些，直流通态损耗也大些。
¾GTO的关断是由门极负脉冲完成的，所以门极功耗要大些。
GTO的基本缓冲电路1）GTO 开通和关断时的波形开通时间t on =t d +t r¾t d ——触发延迟时间为门极触发电流从0.1I FGM 上升开始，至GTO 开始导通、阳极电压下降至0.9U d 的时间间隔。
晶闸管和IGBT有什么区别
晶闸管和IGBT有什么区别？功率晶闸管（SCR）在过去相当一段时间里，几乎是能够承受高电压和大电流的唯一半导体器件。
因此，针对SCR的不足，人们又研制开发出了门极关断晶闸管（GTO）。
用GTO 晶闸管作为逆变器件取得了较为满意的结果，但其关断控制较易失败，仍较复杂，工作频率也不够高。
几乎与此同时，电力晶体管（GTR）迅速发展了起来。
绝缘栅双极晶体管IGBT是MOSFET和GTR相结合的产物。
其主体部分与晶体管相同，也有集电极和发射极，但驱动部分却和场效应晶体管相同，是绝缘栅结构。
IGBT的工作特点是，控制部分与场效应晶体管相同，控制信号为电压信号 UGE，输人阻抗很高，栅极电流I G≈0，故驱动功率很小。
而其主电路部分则与GTR相同，工作电流为集电极电流，工作频率可达20kHz。
由IGBT作为逆变器件的变频器载波频率一般都在10kHz以上，故电动机的电流波形比较平滑，基本无电磁噪声。
虽然硅双极型及场控型功率器件的研究已趋成熟，但是它们的性能仍待提高和改善，而1996年出现的集成门极换流晶闸管（IGCT）有迅速取代 GTO的趋势。
集成门极换流晶闸管（IGCT）是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的器件。
门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一个新型电力半导体器件，它不仅与GTO有相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，兼有GTO和IGBT之所长，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件。
IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量0.5～3MVA，三电平逆变器1～6MVA；若反向二极管分离，不与IGCT 集成在一起，二电平逆变器容量可扩至4. 5MVA，三电平扩至9MVA。
目前IGCT已经商品化，ABB公司制造的IGCT产品的最高性能参数为 4.5kV／4kA，最高研制水平为6kV/4kA[1]。
1998 年，日本三菱公司也开发了直径为88mm的6kV/4kA的GCT晶闸管。
全控型电力电子器件GTO
O
t
iA IA 90%IA 10%IA 0
td
tr
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tf
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t0
t1
t2
t3
t4t5t6tGTO的开通和关断过程电流波形 的开通和关断过程电流波形
4. GTO的主要参数 的主要参数
许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同， 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下 只介绍意义不同的参数。 只介绍意义不同的参数。 （1）开通时间 on ）开通时间t
（3）最大可关断阳极电流 ATO ）最大可关断阳极电流I
——GTO额定电流 额定电流。 额定电流
（4） 电流关断增益βoff ）
——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最 大值I 之比称为电流关断增益。 大值 GM之比称为电流关断增益。
β off
I ATO = I GM
较大，使晶体管V 设计α2较大，使晶体管 2控 制灵敏，易于关断。 制灵敏，易于关断。 更接近1， 导通时α1+α2更接近 ，导 通时接近临界饱和， 通时接近临界饱和，有利门 极控制关断， 极控制关断，但导通时管压 降增大。 降增大。 多元集成结构， 多元集成结构，每个元阴极 和门极距离很短，使得P 和门极距离很短，使得 2基 区横向电阻很小， 区横向电阻很小，能从门极 抽出较大电流。 抽出较大电流。
GTO的开关时间比普通晶闸管短但比 的开关时间比普通晶闸管短但比GTR长，因此工 长 的开关时间比普通晶闸管短但比 作频率介于两者之间。 作频率介于两者之间。 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承 不少 都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管， 都制造成逆导型 受反压时，应和电力二极管串联 。 受反压时，
电力电子技术试题02昆明理工大学电力电子试卷
电力电子技术2011年7月23日星期六一、填空题1.造成晶闸管在工作时发热的原因是_______，决定发热的因素是流过该管的电流_______。
2.门极可关断晶闸管(GTO)，在导通后处于________状态。
为使它关断，所需加的反向门极电流要达到阳极电流的________。
3.在实际应用中，双向晶闸管常采用________和________两种触发方式。
4.单相全控桥整流电路，其输出电压的脉动频率是________，三相零式可控整流电路，其输出电压的脉动频率为________。
5.在单相半控桥整流电路中，两个晶闸管在加________时换流，而两个硅整流二极管在________时自然换流。
6.为了得到十二相电源，在三相变压器的副边绕组中，一组接成_______，另一组接成________。
7.常用的直流可逆拖动系统的工作方式有________和________。
8.变压器漏感L B的存在，使得可控整流输出的直流平均电压________，对有源逆变电路，它将使逆变输出电压________。
9.起重提升机在放下重物时的速度必须能够控制。
改变________的大小就可以改变重物下降的速度，当________时，重物下降速度减小。
10.在无源逆变器中，为使晶闸管可靠关断，常采用________和________两种。
11．晶闸管是硅晶体闸流管的简称，常用的有螺栓式与。
12．晶闸管象二极管一样，具有可控特性。
13．为了保证晶闸管可靠与迅速地关断，通常在管子阳极电压下降为零之后，加一段时间的________电压。
14．选用晶闸管的额定电压值应比实际工作时的最大电压大________倍，使其有一定的电压裕量。
15．选用晶闸管的额定电流时，根据实际最大电流计算后至少还要乘以＿＿＿＿＿＿＿。
16．在螺栓式晶闸管上有螺栓的一端是________极。
17．单相半波可控整流电路，当电感性负载接续流二极管时，控制角的移相范围为________。
全控型器件的详细介绍
典型全控型器件的介绍班级学号 :姓名日期一．门极可关断晶闸管1.1门极可关断晶闸管的简介门极可关断晶闸管简称GTO,是一种全控型的晶闸管。
其主要特点为，当栅极加负向触发信号时晶闸管能自行关断，保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。
GTO的容量及使用寿命均超过巨型晶体管（GTR），只是工作频纺比GTR低。
目前，GTO 已达到3000A、4500V的容量。
大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。
1.2门极可关断晶闸管的结构和工作原理GTO是PNPN四层半导体结构，外部引出阳极，阴极和门极，是多元件的功率集成器件，内部由许多的GTO元的阳极和门极并联在一起。
其工作原理可用双晶体管来分析P1N1P1和N1P2N2构成的两个晶体管V1,V2分别具有共基极电流增益α1和α2，普通的晶体管分析，α1+α2=1是器件的临界导电条件，当α1+α2>1时2，当α1+α2<1时不能维持饱和导通而关断。
1.3 GTO的驱动方式及频率当信号要求可关断晶闸管导通时，驱动电路提供上升率足够大的正栅极脉冲电流（其幅度视晶闸管容量不同在0.1到几安培范围内），其正栅极脉冲宽度应保证门极关断晶闸管可靠导通。
当信号要求门极关断晶闸管关断时，驱动电路提供上升率足够大的负栅极脉冲电流，脉冲幅度要求大于可关断晶闸管阳极电流的五分之一，脉冲宽度应大于可关断晶闸管的关断时间和尾部时间。
根据对驱动门极关断晶闸管的特性、容量、应用场合、电路电压、工作频率、可靠性要求和性价比等方面的不同要求，有多种形式的栅极驱动电路。
1.4存在的问题及其最新的发展GTO在使用中，导通时的管压降较大，增加了通态损耗。
对关断负脉冲的要求较高，门极触发电路需要严格设计，否则易在关断过程中烧毁管子。
门极电流应大于元件的擎住电流IL;正负触发脉冲其前沿要陡，后沿要平缓，中小功率电路上升沿小于0.5μs ，大功率电路小于1μs ；门极电路电阻要小，以减小脉冲源内阻由于多元集成，对制造工艺提出极高的要求，它要求必须保持所有GTO元特性一致，开通或关断速度不一致，会使GTO元因电流过大而损坏。
电力电子技术期末考试试题及答案
电力电子技术试题第1章电力电子器件1.电力电子器件一般工作在__开关__状态。
2.电力二极管的工作特性可概括为_承受正向电压导通，承受反相电压截止_。
3晶闸管的基本工作特性可概括为__正向电压门极有触发则导通、反向电压则截止__。
4.对同一晶闸管，维持电流IH与擎住电流I L在数值大小上有I L__大于__IH。
5.在如下器件：电力二极管（Power Diode）、晶闸管（SCR）、门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应管（电力MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）中，属于不可控器件的是_电力二极管__，属于半控型器件的是__晶闸管_，属于全控型器件的是_ GTO 、GTR 、电力MOSFET 、IGBT _；属于单极型电力电子器件的有_电力MOSFET _，属于双极型器件的有_电力二极管、晶闸管、GTO 、GTR _，属于复合型电力电子器件得有__ IGBT _；在可控的器件中，容量最大的是_晶闸管_，工作频率最高的是_电力MOSFET，属于电压驱动的是电力MOSFET 、IGBT _，属于电流驱动的是_晶闸管、GTO 、GTR _。
第2章整流电路1.三相半波可控整流电路中的三个晶闸管的触发脉冲相位按相序依次互差_120o _，当它带阻感负载时，α的移相范围为__0-90o _2.逆变电路中，当交流侧和电网连结时，这种电路称为_有源逆变_第3章直流斩波电路1.直流斩波电路完成得是直流到_直流_的变换。
2.直流斩波电路中最基本的两种电路是_降压斩波电路和_升压斩波电路_。
3.斩波电路有三种控制方式：_脉冲宽度调制（PWM）_、_频率调制_和_（t on和T都可调，改变占空比）混合型。
第4章交流—交流电力变换电路1.改变频率的电路称为_变频电路_，变频电路有交交变频电路和_交直交变频_电路两种形式，前者又称为_直接变频电路__，后者也称为_间接变频电路_。
2.单相调压电路带电阻负载，其导通控制角α的移相范围为_0-180O_，随 α 的增大， Uo_降低_，功率因数λ_降低__。
电力电子技术第三章 全控型器件的驱动
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2.专用集成驱动电路芯片 1)驱动电路与IGBT栅射极接线长度应小于1m，并使用双绕线，以提 高抗干扰能力。
图3-9 电力MOSFET的一种驱动电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
3z10.tif
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2)如果发现IGBT集电极上产生较大的电压脉冲，应增加栅极串接电 阻RG的阻值。 3)图3-10中外接两个电容为47μF，是用来吸收电源接线阻抗变化引 起的电源电压波动。
图3-6 抗饱和电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
图中VD1、VD2为抗饱和二极管，VD3为反向基极电流提供回路。在 轻载情况下，GTR饱和深度加剧使UCE减小，A点电位高于集电极电 位，二极管VD2导通，使流过二极管VD1的基极电流IB减小，从而减 小了GTR的饱和深度。抗饱和基极驱动电路使GTR在不同的集电极 电流情况下，集电结处于零偏或轻微正向偏置的准饱和状态，以缩 短存储时间。在不同负载情况下以及在应用离散性较大的GTR时， 存储时间趋向一致。应当注意的是，VD2为钳位二极管，它必须是 快速恢复二极管，该二极管的耐压也必须和GTR的耐压相当。因电 路工作于准饱和状态，其正向压降增加，也增大了导通损耗。
图3-2 门极控制电路 结构示意图
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(1)开通控制 开通控制要求门极电流脉冲的前沿陡、幅度高、宽 度大及后沿缓。
图3-3 推荐的GTO门极控制 信号波形
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(2)关断控制 GTO的关断控制是靠门极驱动电路从门极抽出P2基区 的存储电荷，门极负电压越大，关断的越快。 (3)GTO的门极驱动电路 GTO的门极控制电路包括开通电路、关断 电路和反偏电路。 间接驱动是驱动电路通过脉冲变压器与GTO门极相连，其优点是： GTO主电路与门极控制电路之间由脉冲变压器或光耦合器件实现电 气隔离，控制系统较为安全；脉冲变压器有变换阻抗的作用，可使 驱动电路的脉冲功率放大器件电流大幅度减小。缺点是：输出变压 器的漏感使输出电流脉冲前沿陡度受到限制，输出变压器的寄生电 感和电容易产生寄生振荡，影响GTO的正确开通和关断。此外，隔 离器件本身的响应速度将影响驱动信号的快速
《电力电子技术》试卷3份答案
《电力电子技术》试卷1答案一、填空（每空1分，36分）1、请在正确的空格内标出下面元件的简称：电力晶体管GTR；可关断晶闸管GTO；功率场效应晶体管MOSFET；绝缘栅双极型晶体管IGBT ；IGBT是 MOSFET和GTR的复合管。
2、晶闸管对触发脉冲的要求是要有足够的驱动功率、触发脉冲前沿要陡幅值要高和触发脉冲要与晶闸管阳极电压同步。
3、多个晶闸管相并联时必须考虑均流的问题，解决的方法是串专用均流电抗器。
4、在电流型逆变器中，输出电压波形为正弦波，输出电流波形为方波? 。
5、型号为KS100-8的元件表示双向晶闸管晶闸管、它的额定电压为800V伏、额定有效电流为 100A。
6、180°导电型三相桥式逆变电路，晶闸管换相是在同一桥臂上的上、下二个元件之间进行；而120o导电型三相桥式逆变电路，晶闸管换相是在不同桥臂上的元件之间进行的。
7、当温度降低时，晶闸管的触发电流会增加、正反向漏电流会下降；当温度升高时，晶闸管的触发电流会下降、正反向漏电流会增加。
8、在有环流逆变系统中，环流指的是只流经?逆变电源、逆变桥而不流经负载的电流。
环流可在电路中加电抗器来限制。
为了减小环流一般采控用控制角α大于β的工作方式。
9、常用的过电流保护措施有快速熔断器?、串进线电抗器、接入直流快速开关、控制快速移相使输出电压下降。
（写出四种即可）10、双向晶闸管的触发方式有Ⅰ+、Ⅰ-、Ⅲ＋、Ⅲ- 四种。
二、判断题,（每题1分，10分）（对√、错×）1、在半控桥整流带大电感负载不加续流二极管电路中，电路出故障时会出现失控现象。
（√）2、在用两组反并联晶闸管的可逆系统，使直流电动机实现四象限运行时，其中一组逆变器工作在整流状态，那么另一组就工作在逆变状态。
（×）3、晶闸管串联使用时，必须注意均流问题。
（×）4、逆变角太大会造成逆变失败。
（×）5、并联谐振逆变器必须是略呈电容性电路。
电力电子考试题库 (含答案)
一、填空（每空1分）1、请在正确的空格内标出下面元件的简称：电力晶体管GTR；图形符号为；可关断晶闸管GTO；图形符号为；功率场效应晶体管MOSFET；图形符号为；绝缘栅双极型晶体管IGBT ；图形符号为；IGBT是 MOSFET 和GTR的复合管。
2、晶闸管对触发脉冲的要求是要有足够的驱动功率、触发脉冲前沿要陡幅值要高和触发脉冲要与晶闸管阳极电压同步。
3、多个晶闸管相并联时必须考虑均流的问题，解决的方法是串专用均流电抗器。
4、在电流型逆变器中，输出电压波形为正弦波，输出电流波形为方波。
5、型号为KS100-8的元件表示双向晶闸管晶闸管、它的额定电压为800V伏、额定有效电流为 100A。
6、180°导电型三相桥式逆变电路，晶闸管换相是在同一桥臂上的上、下二个元件之间进行；而120º导电型三相桥式逆变电路，晶闸管换相是在不同桥臂上的元件之间进行的。
7、当温度降低时，晶闸管的触发电流会增加、正反向漏电流会下降；当温度升高时，晶闸管的触发电流会下降、正反向漏电流会增加。
8、在有环流逆变系统中，环流指的是只流经逆变电源、逆变桥而不流经负载的电流。
环流可在电路中加电抗器来限制。
为了减小环流一般采控用控制角α大于β的工作方式。
9、常用的过电流保护措施有快速熔断器、串进线电抗器、接入直流快速开关 、 控制快速移相使输出电压下降。
（写出四种即可）10、双向晶闸管的触发方式有 Ⅰ+、 Ⅰ-、 Ⅲ＋、 Ⅲ- 四种 。
11、双向晶闸管的触发方式有：I+ 触发：第一阳极T1接 正 电压，第二阳极T 2接 负 电压；门极G 接正 电压，T2接 负 电压。
I- 触发：第一阳极T1接 正 电压，第二阳极T2接 负 电压；门极G 接 负 电压，T2接 正 电压。
Ⅲ+触发：第一阳极T1接 负电压，第二阳极T2接正 电压；门极G 接正电压，T2接 负 电压。
Ⅲ-触发：第一阳极T1接 负电压，第二阳极T2接 正电压；门极G 接 负电压，T2接 正 电压。
第二章 - 3_GTO+GTR(电力电子技术)
2.4.2 电力晶体管
☞在应用中，GTR一般采用共发射极接 法。集电极电流ic与基极电流ib之比为
i =i
c b
i
c
ib I ceo
(2-9)
空穴流
称为GTR的电流放大系数，它反映
了基极电流对集电极电流的控制能力。 当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo 时，ic和ib的关系为
4/7
门极可关断晶闸管
工作原理：
与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。
A A P1 N1 G P2 N2 K a) b) N1 P2 IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP Ic2 V2 IK K R EA
IA
2 I G I CBO1 I CBO2
1 ( 1 2 )
2.4 典型全控型器件· 引言
门极可关断晶闸管 —— 在晶闸管问世后不久 出现。 20 世纪80 年代以来，电力电子技术进入了一 个崭新时代。 典型代表 —— 门极可关断晶闸管、电力晶体 管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。
1
2.4 典型全控型器件
2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 门极可关断晶闸管 电力晶体管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管
10
电力晶体管
1）GTR的结构和工作原理
空穴流 i 基区很薄； 导通条件：发射结正偏，集电结反偏； E 1 、形成发射极电流 Ie ，与电子流动方向 相反，同时基区的空穴也扩散到发射区； 2 、发射区电子注入基区后，在基区积累， 形成一定的浓度梯度，靠近发射极浓度高， 远离发射极浓度低。 3 、集电结反偏，集电结势垒很高，阻止 集电结的扩散运动，但是其可以吸引集电 结边缘的电子，形成集电极电流Ic。同时 该PN结反向饱和电流对Ic来说很小。
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可关断晶闸管(gto)触发驱动和保护电路的研究摘要：
可关断晶闸管(GTO)是一种重要的功率半导体器件，被广泛应用于电
力电子领域。
然而，GTO的触发驱动和保护电路的设计与实现是一个非常复杂的问题。
本文旨在研究可关断晶闸管的触发驱动和保护电路，提出一些新的解决方案，以改善GTO的性能和可靠性。
正文：
一、GTO的触发驱动电路
在GTO的工作过程中，触发驱动电路起着关键的作用。
一个好的驱动电路可以保证GTO可靠地开关，并且在关闭时可以控制漏电流。
因此，我们需要设计一种高效、精确、可靠的GTO触发驱动电路。
以下是一些常见的GTO触发驱动电路：
1.电压控制触发驱动电路
电压控制触发驱动电路是一种常用的GTO触发驱动电路。
它的原理是通过一个信号发生器来产生一个控制信号，然后将这个信号输入到GTO的控制端，以控制GTO的导通和断开。
电压控制触发驱动电路的
优点是简单，易于实现，但是它的精度和稳定性不如其他触发驱动电路。
2.电流控制触发驱动电路
电流控制触发驱动电路是一种比较精确和可靠的GTO触发驱动电路。
它的原理是将一个电流信号送入GTO的控制端，以控制GTO的导通和断开。
电流控制触发驱动电路的优点是精确、可靠，但是它的实现复杂，需要使用高精度的电流源和电流传感器。
3.光耦隔离触发驱动电路
光耦隔离触发驱动电路是一种可靠、安全且精确的GTO触发驱动电路。
它的原理是使用一个光耦隔离器将控制信号隔离开，并将隔离后的信号送入GTO的控制端，以控制GTO的导通和断开。
光耦隔离触发驱动电路的优点是精确、可靠、安全，但是它的成本较高。
二、GTO的保护电路
GTO在工作过程中，常常会受到各种各样的干扰和故障，如过电压、过电流、电磁干扰等。
因此，我们需要设计一种可靠的保护电路来保护GTO的正常工作。
以下是一些常见的GTO保护电路：
1.过电压保护电路
过电压保护电路是一种常见的GTO保护电路。
它的原理是使用一个电压传感器来检测GTO的电压，一旦电压超过设定值，就会触发一个保护电路，将GTO断开以保护它的安全。
2.过电流保护电路
过电流保护电路是一种常见的GTO保护电路。
它的原理是使用一个电流传感器来检测GTO的电流，一旦电流超过设定值，就会触发一个保护电路，将GTO断开以保护它的安全。
3.电磁干扰保护电路
电磁干扰保护电路是一种可以保护GTO免受电磁干扰的保护电路。
它的原理是使用一些屏蔽材料和电路来抑制电磁干扰的影响，确保GTO 的正常工作。
总结：
本文研究了可关断晶闸管(GTO)的触发驱动和保护电路，提出了一些
新的解决方案，以改善GTO的性能和可靠性。
我们可以根据实际需求选择不同的触发驱动电路和保护电路，以确保GTO的正常工作。
同时，我们还需要不断地探索和研究，以不断提高GTO的性能和可靠性。